Sintesi e caratterizzazione di nuovi politiofeni double-cable per applicazioni fotovoltaiche

In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un nuovo copolimero contenente il gruppo fullerenico in catena laterale. Il copolimero è risultato solubile nei comuni solventi organici e ha dato una efficienza di conversione fotovoltaica in un sistema BHJ del 2.19%.

Quantitative Analysis of Kilohertz-Frequency Neurostimulation

Mainstream electrical stimulation therapies, e.g., spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation, use pulse trains that are delivered at rates no higher than 200 Hz. In recent years, stimulation of nerve fibers using kilohertz-frequency (KHF) signals has received increased attention due to the potential to penetrate deeper in the tissue and to the ability to block conduction of action potentials. As well, there are a growing number of clinical applications that use KHF waveforms, including transcutaneous electrical stimulation (TES) for overactive bladder and SCS for chronic pain. However, there is a lack of fundamental understanding of the mechanisms of action of KHF stimulation. The goal of this research was to analyze quantitatively KHF neurostimulation.

We implemented a multilayer volume conductor model of TES including dispersion and capacitive effects, and we validated the model with in vitro measurements in a phantom constructed from dispersive materials. We quantified the effects of frequency on the distribution of potentials and fiber excitation. We also quantified the effects of a novel transdermal amplitude modulated signal (TAMS) consisting of a non-zero offset sinusoidal carrier modulated by a square-pulse train. The model revealed that high-frequency signals generated larger potentials at depth than did low frequencies, but this did not translate into lower stimulation thresholds. Both TAMS and conventional rectangular pulses activated more superficial fibers in addition to the deeper, target fibers, and at no frequency did we observe an inversion of the strength-distance relationship. In addition, we performed in vivo experiments and applied direct stimulation to the sciatic nerve of cats and rats. We measured electromyogram and compound action potential activity evoked by pulses, TAMS and modified versions of TAMS in which we varied the amplitude of the carrier. Nerve fiber activation using TAMS showed no difference with respect to activation with conventional pulse for carrier frequencies of 20 kHz and higher, regardless the size of the carrier. Therefore, TAMS with carrier frequencies >20 kHz does not offer any advantage over conventional pulses, even with larger amplitudes of the carrier, and this has implications for design of waveforms for efficient and effective TES.

We developed a double cable model of a dorsal column (DC) fiber to quantify the responses of DC fibers to a novel KHF-SCS signal. We validated the model using in vivo recordings of the strength-duration relationship and the recovery cycle of single DC fibers. We coupled the fiber model to a model of SCS in human and applied the KHF-SCS signal to quantify thresholds for activation and conduction block for different fiber diameters at different locations in the DCs. Activation and block thresholds increased sharply as the fibers were placed deeper in the DCs, and decreased for larger diameter fibers. Activation thresholds were > 5 mA in all cases and up to five times higher than for conventional (~ 50 Hz) SCS. For fibers exhibiting persistent activation, the degree of synchronization of the firing activity to the KHF-SCS signal, as quantified using the vector strength, was low for a broad amplitude range, and the dissimilarity between the activities in pairs of fibers, as quantified using the spike time distance, was high and decreased for more closely positioned fibers. Conduction block thresholds were higher than 30 mA for all fiber diameters at any depth and well above the amplitudes used clinically (0.5 – 5 mA). KHF-SCS appears to activate few, large, superficial fibers, and the activated fibers fire asynchronously to the stimulation signal and to other activated fibers.

The outcomes of this work contribute to the understanding of KHF neurostimulation by establishing the importance of the tissue filtering properties on the distribution of potentials, assessing quantitatively the impact of KHF stimulation on nerve fiber excitation, and developing and validating a detailed model of a DC fiber to characterize the effects of KHF stimulation on DC axons. The results have implications for design of waveforms for efficient and effective nerve fiber stimulation in the peripheral and central nervous system.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

The wideband high-linearity mixers for cable television tuner application

The wideband high-linearity mixers for a double conversion cable TV tuner is presented. The up-conversion mixer converts the input signal from 100MHz to 1000 MHz to the intermediate frequency (IF) of I GHz above. And the down-conversion mixer converts the frequency back. The degeneration resistors are used to Improve the linearity. The tuner is implemented in a 0.35 mu m SiGe technology. Input power at 1dB compression point can reach +14.23dBm. The lowest noise figure is 17.5dB. The two mixers consume 103mW under a supply voltage of 5 V.

Realizzazione di riporti funzionalizzanti su superfici ceramiche per la produzione di energia elettrica mediante effetto fotovoltaico

This research, carried out during the PhD in Materials Engineering, deals with the creation of layers, with different functionality, deposited on a ceramic substrate, to obtain photovoltaic cells for electricity production. The research activities are included in the project PRRIITT, Measure 4 (Development of Networks), Action A (Research and Technology Transfer Laboratories), Thematic reference 3 (Advanced materials applications development), co-financed by the Emilia Romagna Region, for the creation of CECERBENCH laboratory, which aims to develop "Tiles with a functionalised surface”. The innovation lies in the study of materials and in the development of technologies to achieve a "photovoltaic surface", directly in the tiles production process. The goal is to preserve the technical characteristics, and to make available new surfaces, exploiting renewable energy sources. The realization of Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) is nowadays a more and more spread tendency. The aims of the research are essentially linked to the need to diversify the actual ceramic tile production (which is strongly present in the Emilia Romagna Region ), and to provide a higher added value to the tiles. Solar energy production is the primary objective of the functionalization, and has a relevant ecological impact, taking into account the overwhelming global energy demand. The specific activities of the PhD were carried out according to the achievement of scientific and technological objectives of CECERBENCH laboratory, and involved the collaboration in design solutions, to obtain the cells directly on the tiles surface. The author has managed personally a part of the research project. Layers with different features were made: - Electrically conductive layers, directly on the ceramic tiles surface; - Layers to obtain the photovoltaic functionality; - Electrically insulating, protective layers (double function). For each layer, the most suitable materials have been selected. Among the technical application, the screen printing was used. This technique, widely used in ceramics, has many application areas, including the electronics and photovoltaic industries. It is an inexpensive technique, easy to use in industrial production lines. The screen printing technique was therefore studied in depth by theoretical considerations, and through the use of rheological measurements.

Politiofeni regioregolari funzionalizzati per applicazioni fotovoltaiche

Studi preliminari condotti dal gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi, avevano dimostrato che il poli[3-(6-bromoesil)tiofene] non regioregolare funzionalizzato con idrossifenilporfirina [TPPOH] può essere utilizzato con successo per la realizzazione di celle fotovoltaiche. Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale è stato quindi incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di un campione di poli[3-(6-bromoesil)tiofene] [PT6Br] ad elevata regioregolarità e sulla sua successiva funzionalizzazione con diverse percentuali di 5-(4-idrossifenil)-10,15,20-trifenilporfirina [TPPOH] per ottenere i copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfinil]esiltiofene)] [P(T6Br-co-T6TPP)], anch’essi con elevata percentuale di concatenamenti testa-coda, al fine di valutare se la regioregolarità del polimero sia in grado di migliorare l’efficienza fotovoltaica. Il campione che ha fornito i risultati migliori è stato poi ulteriormente testato eseguendo prove su celle trattate termicamente per tempi diversi, in modo tale da verificare come la durata del riscaldamento, che incide sull’organizzazione strutturale del materiale, influisca sulle prestazioni ottenibili dalla cella stessa. I prodotti polimerici sintetizzati sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR, UV-Vis), ne sono determinate le proprietà termiche ed i pesi molecolari medi e la relativa distribuzione, mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Le prestazioni delle celle fotovoltaiche realizzate utilizzando i copolimeri prodotti sono state misurate tramite un multimetro Keithley ed un Solar Simulator, che permette di riprodurre l’intero spettro della radiazione solare.

Sintesi, modifica e caratterizzazione di polimeri da fonti rinnovabili

Gli argomenti trattati all’interno di questa tesi di dottorato riguardano la sintesi e la modifica di polimeri ottenuti a partire da fonti rinnovabili. L’acido polilattico (PLA) è stato modificato per ottenere film estensibili per uso alimentare. La scelta del materiale si è basata sull’analisi del suo ciclo di vita e perché è riconosciuto come sicuro per l’utilizzo nel campo alimentare. Le formulazioni testate, a base di PLA, sono state preparate con l’aggiunta di una serie di additivi utilizzati per migliorare le proprietà meccaniche del materiale. La lavorazione è stata eseguita mediante estrusione, ottenendo dei pellet a composizione omogenea successivamente lavorati nell’estrusore a bolla, modalità industriale di produzione dei film estensibili. È stata poi effettuata la sintesi diretta di nuovi poliesteri insaturi a base di dimetil succinato e 1,6-esandiolo. L’insaturazione della catena è stata ottenuta mediante l’uso, durante la sintesi, di derivati dell’olio di ricino, l’acido ricinoleico e il suo derivato insaturo metil undecenoato. Un’altra molecola insatura utilizzata è stata il citronellolo, scelto tra i terpeni. I polimeri così ottenuti sono stati modificati tramite reazioni radicaliche indotte con radiazioni UV utilizzando sostanze antibatteriche (sale 3-esadecil-1-vinilimidazolo bromuro) al fine di ottenere materiali con attività biocida a lungo termine e senza rilascio. Si è proceduto inoltre alla polimerizzazione reversibile di monomeri furanici con oli vegetali utilizzando una strategia di tipo double click. Si è partiti dalla sintesi di monomeri derivanti da oli vegetali contenenti eterocicli furanici attaccati mediante addizione tiol-enica (prima reazione click chemistry) e si è proseguito con la loro successiva polimerizzazione attraverso una reazione di tipo Diels-Alder con molecole con gruppi maleimmidici (seconda reazione click chemistry). I polimeri così ottenuti sono materiali potenzialmente auto-riparanti, grazie alla possibilità di spostare l’equilibrio verso i prodotti o i reagenti semplicemente variando le condizioni di temperatura.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni tioalchil sostituiti per applicazioni fotovoltaiche

Nell'ultimo decennio sono stati sviluppati numerosi materiali π-coniugati contenenti unità tiofeniche per applicazioni in dispositivi organici a film sottile. Nel campo delle celle solari, la possibilità di creare dispositivi basati sull’utilizzo di materiali organici, rispetto ai dispositivi attualmente in commercio a base di silicio, ha suscitato grande interesse soprattutto per la possibilità di realizzare dispositivi su larga area con basso costo di produzione e su substrati flessibili. Gli oligo- e i politiofeni sono eccellenti candidati grazie alle ottime proprietà di trasporto di carica e alle caratteristiche di assorbimento di luce. In celle solari di tipo Bulk-Heterojunction (BHJ), ad esempio, il poli(3-esiltiofene) è uno tra i materiali più studiati. Ad oggi, con il P3HT sono state raggiunte efficienze certificate superiori all’8%, variando sia parametri dipendenti dalla struttura molecolare, come ad esempio il peso molecolare, la regioregolarità delle catene alchiliche, il grado di polidispersità, il grado di polimerizzazione, sia parametri da cui dipende l’organizzazione della blend donatore-accettore. Per superare l’efficienza di conversione ottenuta con i polimeri classici come il P3HT è necessario progettare e sintetizzare materiali con precise caratteristiche: basso energy gap per aumentare l’assorbimento di luce, elevata mobilità di carica per avere una rapida estrazione delle cariche, posizione ottimale degli orbitali di frontiera per garantire una efficiente dissociazione dell’eccitone ed infine buona solubilità per migliorare la processabilità. Il presente lavoro di tesi si è articolato nei seguenti punti: sintesi di oligo- e politiofeni tioalchil sostituiti con inserzione di unità benzotiadiazolo per massimizzare l’assorbimento ed abbassare il gap energetico; studio dell’effetto della ramificazione del gruppo tioalchilico sull’organizzazione supramolecolare allo stato solido e successiva ottimizzazione della morfologia del film solido variando metodi di deposizione e solventi; applicazione degli oligomeri e dei polimeri sintetizzati come materiali donatori in celle fotovoltaiche di tipo Bulk-Heterojunction in presenza di fenil-C61-butirrato di metile (PCBM) come materiale accettore.

Discussion of "Bibliography and Data on Cable-Stayed Bridges", by the Subcommittee on Cable-Stayed Bridges of the Committee on Long-Span Steel Bridges of the Committee on Metals of the Structural Division (Oct., 1977)

The writer would like to point out the existence of a very remarkable Spanish cable-stayed bridge built in 1925, wich is thus older than the first one recorded by the authors (and probably the pioneer in concrete-deck type). The Tempul Aqueduct was designed by the famous Professor Educardo Torroja. The deck is a concrete box girder sustained by two planes of 3 mm diam 37-wire double cables working at 27 kg/mm2.

Vibrational spectroscopy of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type (na)phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes: Part 14. The infrared and Raman characteristics of phthalocyanine in “pinwheel-like” homoleptic bis[1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyaninato] rare earth(III) double-decker complexes

The infrared (IR) spectroscopic data and Raman spectroscopic properties for a series of 13 “pinwheel-like” homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes M[Pc(α-OC5H11)4]2 [M = Y and Pr–Lu except Pm; H2Pc(α-OC5H11)4 = 1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyanine] have been collected and comparatively studied. Both the IR and Raman spectra for M[Pc(α-OC5H11)4]2 are more complicated than those of homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth analogues, namely M(Pc)2 and M[Pc(OC8H17)8]2, but resemble (for IR) or are a bit more complicated (for Raman) than those of heteroleptic counterparts M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4], revealing the decreased molecular symmetry of these double-decker compounds, namely S8. Except for the obvious splitting of the isoindole breathing band at 1110–1123 cm−1, the IR spectra of M[Pc(α-OC5H11)4]2 are quite similar to those of corresponding M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] and therefore are similarly assigned. With laser excitation at 633 nm, Raman bands derived from isoindole ring and aza stretchings in the range of 1300–1600 cm−1 are selectively intensified. The IR spectra reveal that the frequencies of pyrrole stretching and pyrrole stretching coupled with the symmetrical CH bending of –CH3 groups are sensitive to the rare earth ionic size, while the Raman technique shows that the bands due to the isoindole stretchings and the coupled pyrrole and aza stretchings are similarly affected. Nevertheless, the phthalocyanine monoanion radical Pc′− IR marker band of bis(phthalocyaninato) complexes involving the same rare earth ion is found to shift to lower energy in the order M(Pc)2 > M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] > M[Pc(α-OC5H11)4]2, revealing the weakened π–π interaction between the two phthalocyanine rings in the same order.

Tuning the valence of the cerium center in (Na)phthalocyaninato and porphyrinato cerium double-deckers by changing the nature of the tetrapyrrole ligands

A series of 7 cerium double-decker complexes with various tetrapyrrole ligands including porphyrinates, phthalocyaninates, and 2,3-naphthalocyaninates have been prepared by previously described methodologies and characterized with elemental analysis and a range of spectroscopic methods. The molecular structures of two heteroleptic \[(na)phthalocyaninato](porphyrinato) complexes have also been determined by X-ray diffraction analysis which exhibit a slightly distorted square antiprismatic geometry with two domed ligands. Having a range of tetrapyrrole ligands with very different electronic properties, these compounds have been systematically investigated for the effects of ligands on the valence of the cerium center. On the basis of the spectroscopic (UV−vis, near-IR, IR, and Raman), electrochemical, and structural data of these compounds and compared with those of the other rare earth(III) counterparts reported earlier, it has been found that the cerium center adopts an intermediate valence in these complexes. It assumes a virtually trivalent state in cerium bis(tetra-tert-butylnaphthalocyaninate) as a result of the two electron rich naphthalocyaninato ligands, which facilitate the delocalization of electron from the ligands to the metal center. For the rest of the cerium double-deckers, the cerium center is predominantly tetravalent. The valences (3.59−3.68) have been quantified according to their LIII-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) profiles.

Raman spectroscopic characteristics of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes Part 5. – Raman spectroscopic characteristics of naphthalocyanine in mixed [tetrakis(4-tert-butylphenyl)porphyrinato]-(naphthalocyaninato) rare earth double-deckers

Raman spectra were recorded in the range 400–1800 cm−1 for a series of 15 mixed \[tetrakis(4-tert-butylphenyl)porphyrinato](2,3-naphthalocyaninato) rare earth double-deckers M(TBPP)(Nc) (M = Y; La–Lu except Pm) using laser excitation at 632.8 and 785 nm. Comparisons with bis(naphthalocyaninato) rare earth counterparts reveal that the vibrations of the metallonaphthalocyanine M(Nc) fragment dominate the Raman features of M(TBPP)(Nc). When excited with radiation of 632.8 nm, the most intense vibration appears at about 1595 cm−1, due to the naphthalene stretching. These complexes exhibit the marker Raman band for Nc•− as a medium-intense band in the range 1496–1507 cm−1, attributed to the coupling of pyrrole and aza stretching, while the marker Raman band of Nc2− in intermediate-valence Ce(TBPP)(Nc) appears as a strong band at 1493 cm−1 and is due to the isoindole stretchings. By contrast, when excited with radiation of 785 nm that is in close resonance with the main Q absorption band of the naphthalocyanine ligand, the ring radial vibrations at ca 680 and 735 cm−1 for MIII(TBPP)(Nc) are selectively intensified and are the most intense bands. For the cerium double-decker, the most intense vibration also acting as the marker Raman band of Nc2− appears at 1497 cm−1 with contributions from both pyrrole CC and aza CN stretches. The same vibrational modes show weak to medium intensity scattering at 1506–1509 cm−1 for MIII(TBPP)(Nc) and this is the marker Raman band of Nc•− when thus excited. The scatterings due to the Nc breathings, ring radial vibration, aza group stretchings, naphthalene stretchings, benzoisoindole stretchings and the coupling of pyrrole CC and aza CN stretchings in MIII(TBPP)(Nc) are all slightly blue shifted along with the decrease in rare earth ionic radius, confirming the effects of increased ring–ring interactions on the Raman characteristics of naphthalocyanine in the mixed ring double-deckers.